原子結(jié)構(gòu)與鍵合課件

第一章原子結(jié)構(gòu)與鍵合

(Atomicstructure

andinteratomicbonding)

本章要討論的主要問題是：(1)為什么原子能結(jié)合成固體？(2)材料中存在哪幾種鍵合方式？(3)決定鍵合方式的主要因素有哪些？(4)材料的哪些性能和其鍵合方式有密切的關(guān)系？

橢污根謾伶暮罐尺樊郵提舷國對(duì)峭席琉呂騰皖案愈井潛翼坦奔鉛瞎競囂傈原子結(jié)構(gòu)與鍵合原子結(jié)構(gòu)與鍵合第一章原子結(jié)構(gòu)與鍵合

1

第一節(jié)原子結(jié)構(gòu)

一、經(jīng)典模型和玻爾（Bohr）理論經(jīng)典的原子模型認(rèn)為，對(duì)原子序數(shù)為Z的原子，是由帶正電荷+Ze的原子核和Z個(gè)繞核旋轉(zhuǎn)的電子組成。為了解釋原子的穩(wěn)定性和原子光譜(尖銳的線狀光譜），玻爾對(duì)此經(jīng)典模型作了兩點(diǎn)重要的修正。

圖1－101波爾原子模型示意圖1.電子不能在任意半徑的軌道上運(yùn)動(dòng)

電子只能在一些半徑為確定值r

1,r2,…的軌道上運(yùn)動(dòng)。我們把在確定半徑的軌道上運(yùn)動(dòng)的電子狀態(tài)稱為定態(tài)。每一定態(tài)（即每一個(gè)分立的r值）對(duì)應(yīng)著一定的能量E。

由于r只能取分立的數(shù)值(軌道半徑的分立性)，對(duì)應(yīng)的能量E也只能取分立的數(shù)值，這就叫能級(jí)的分立性。祁樟令質(zhì)屜蟻暑控釋塵竊銘興吁右筆宋亮肖諒蓋災(zāi)燕子照陜汁隱近凝乍撇原子結(jié)構(gòu)與鍵合原子結(jié)構(gòu)與鍵合

2當(dāng)電子從能量為E1的軌道躍遷到能量為E2的軌道上時(shí)，原子就發(fā)出（當(dāng)E1>E2時(shí)）或吸收（當(dāng)E1<E2時(shí)）頻率為ν的輻射波,當(dāng)輻射波是電磁波的形式時(shí)，頻率ν值符合愛因斯坦公式，即：E1-E2=

hν(1-101)式中h是普朗克常量，h=6.63×10-34J·s吻媳莖餡卞床慎串戮摯逾謎人幫奶拉義猩與敷希擠搬廄夷嫩炊滬輾氣冰持原子結(jié)構(gòu)與鍵合原子結(jié)構(gòu)與鍵合當(dāng)電子從能量為E1的軌道躍遷到能量為32.角動(dòng)量的量子化

處于定態(tài)的電子，其角動(dòng)量L也只能取一些分立的數(shù)值，且必須為

h/(2π)的整數(shù)倍，即：

(1-102)

式中m和u分別為電子的質(zhì)量和速度，角量子數(shù)k為整數(shù)。(1-102)式稱為角動(dòng)量的量子化條件。鍵謹(jǐn)脆亨川膨痙坯遲之蛛臂凌妮購佯甄柵舊汲搭模松酸溯咽柞妊帚美盾嗎原子結(jié)構(gòu)與鍵合原子結(jié)構(gòu)與鍵合2.角動(dòng)量的量子化

處于定態(tài)的電子，其角動(dòng)量L也4對(duì)于氫原子，軌道是圓形的。對(duì)于非氫原子，軌道可以是橢圓形的，此時(shí)就需要引入兩個(gè)量子數(shù)。一個(gè)是度量軌道能量的主量子數(shù)n，另一個(gè)是度量軌道角動(dòng)量的角量子數(shù)k。

可以認(rèn)為n和k分別決定了橢圓的長軸和短軸，而k/n則決定了橢圓的偏心率。光遮枷七婚杯弧政愁兆療引等侈拯蓖具曉魔境嘲洞暈郭渦毫梭里漾邁厲探原子結(jié)構(gòu)與鍵合原子結(jié)構(gòu)與鍵合對(duì)于氫原子，軌道是圓形的。對(duì)于非氫原子，5二、波動(dòng)力學(xué)（Wave-Mechanics）理論和近代原子結(jié)構(gòu)模型玻爾理論雖然能定性地解釋原子的穩(wěn)定性（定態(tài)的存在）和線狀原子光譜，但在細(xì)節(jié)和定量方面仍與實(shí)驗(yàn)事實(shí)有差別。特別是，它不能解釋電子衍射現(xiàn)象，因?yàn)樗匀皇菍㈦娮涌醋鳛榉呐ｎD力學(xué)的粒子，不過附加了兩個(gè)限制條件，即能量的分立性和角動(dòng)量的量子化條件，從理論上講這是不嚴(yán)密的。

要克服玻爾理論的缺陷和矛盾，就必須摒棄牛頓力學(xué)，建立嶄新的理論，這就是波動(dòng)力學(xué)（或量子力學(xué)）理論。樟釁鋒兆昆撂巷氮君歲我瘡呵鋪顧抱癢阿汲賺噎妖噎葫島造很蓋慣店吠禁原子結(jié)構(gòu)與鍵合原子結(jié)構(gòu)與鍵合二、波動(dòng)力學(xué)（Wave-Mechanics）理論和近代6按照波動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)，電子和一切微觀粒子都具有二象性，即既具有粒子性，又具有波動(dòng)性。也就是說對(duì)于以一定速度u（動(dòng)量為p）運(yùn)動(dòng)的粒子，可與一個(gè)波長為λ的物質(zhì)波建立聯(lián)系，聯(lián)系二象性的基本方程是：(1-103)其中，u是粒子運(yùn)動(dòng)的速度，p是粒子的動(dòng)量，h是普朗克常量。奧閏勛席滓攢爽滑第禁歐寫特限泊掌蕭孜那儲(chǔ)描銹橢瞳荊芍的黎徘搗漿酬原子結(jié)構(gòu)與鍵合原子結(jié)構(gòu)與鍵合按照波動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)，電子和一切微觀粒子都具7由(1-103)式可以看出，如果通過改變外場而改變電子的動(dòng)量，電子波的波長也就隨之而變該式可以認(rèn)為是一切有關(guān)原子結(jié)構(gòu)和晶體性質(zhì)的理論的基礎(chǔ)。

圖1-102玻爾模型和波動(dòng)力學(xué)模型比較

由于電子具有波動(dòng)性，談?wù)撾娮釉谀骋凰矔r(shí)的準(zhǔn)確位置就沒有意義。我們只能問電子出現(xiàn)在某一位置的幾率(即可能性），因?yàn)殡娮佑锌赡艹霈F(xiàn)在各個(gè)位置，只是出現(xiàn)在不同位置的幾率不同。刃異店儒目藐連卯亦護(hù)潑浩露轉(zhuǎn)候寺勝車跳腫麗岔榆角政哭學(xué)父顧謹(jǐn)邢蘿原子結(jié)構(gòu)與鍵合原子結(jié)構(gòu)與鍵合由(1-103)式可以看出，如果通過改8三、核外電子組態(tài)在多電子的原子中核外電子的排布遵循如下三個(gè)原則：（1）能量最低原理：電子的排布總是盡可能使體系的能量最低。電子總是先占據(jù)能量最低的殼層，填滿后在依次進(jìn)入能量較高的殼層。即按照如下順序：K→L→M→……。在同一殼層中按照s、p、d、f的順序排列。（2）Pauli不相容原理（PauliExclusionPrinciple）：在一個(gè)原子中不可能有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)完全相同的兩個(gè)電子，即不可能有四個(gè)量子數(shù)都相同的兩個(gè)原子。

（3）Hund規(guī)則：在同一亞層中的各個(gè)能級(jí)中電子的排布盡可能分占不同的能級(jí)，而且自旋方向相同（有例外）。森雌憊柳蹄冗妓娘又豆茫呢?fù)P止釬硒遼惰鎳距撲窄略針招胺匠囤紉頻槐竭原子結(jié)構(gòu)與鍵合原子結(jié)構(gòu)與鍵合三、核外電子組態(tài)森雌憊柳蹄冗妓娘又豆茫呢?fù)P止釬硒遼惰鎳距9根據(jù)以上的原則我們可以分析元素周期表中各原子的電子分布。(1)第一周期只有一個(gè)電子殼層，n=1，只有1s2一個(gè)狀態(tài)，故第一周期只有兩個(gè)原子，分別對(duì)應(yīng)1s1（氫）和1s2（氦）。(2)第二周期有兩個(gè)電子殼層，n=2，可占據(jù)的電子狀態(tài)為1s2,2s2,2p6，共可容納2+2+6=10個(gè)電子，故包含從鋰到氖的8個(gè)元素。(3)第三周期有三個(gè)電子殼層，n=3，可占據(jù)的電子狀態(tài)除n=2的殼層外，還有3s2,3p6,3d10，但由于E3d>E4s，因此，第三殼層中不包括

3d態(tài)。故第三周期可容納的總電子數(shù)為18，只包含從鈉到氬的8個(gè)元素。蔗蛤葷見廢耍撐禱穎緝耙歉徽洱警科春瘋建某乏鱉矛哦炕將曳汕雛清搶去原子結(jié)構(gòu)與鍵合原子結(jié)構(gòu)與鍵合根據(jù)以上的原則我們可以分析元素周期表中10以上三個(gè)周期成為短周期，其特點(diǎn)是所有元素的電子態(tài)均為s或p態(tài)。

(4)從第四周期起，是長周期。不僅包含s，p態(tài)，還包含d或f狀態(tài)，即電子填充在d或f軌道。其分析方法和短周期基本相同。但有下面兩個(gè)特點(diǎn)必須記?。?/p>

①凡是外層電子填充在d軌道的元素都稱為過渡元素。因此，第四周期中從鈧(Sc，Z=21)到銅(Cu，Z=29)，第五周期中從釔(Y，Z=39)到銀(Ag，Z=47)，第六周期中從鉿(Hf，Z=72)到金(Au，Z=79)均為過渡族元素。

②凡是外層電子填充在4f軌道上的元素稱為鑭系元素，包括第六周期中從鑭(La，Z=57)到镥(Lu，Z=71)的15個(gè)元素。凡是外層電子填充在5f軌道上的元素稱為錒系元素，包括第七周期中從錒(Ac，Z=89)到銠(Lr，Z=103)的15個(gè)元素。唇皂紡偵尸喳瞄委兵遷瀉鵬申四秒瑞漫壇鎬雹揭鈴監(jiān)站干訴脫葛危非酥儉原子結(jié)構(gòu)與鍵合原子結(jié)構(gòu)與鍵合以上三個(gè)周期成為短周期，其特點(diǎn)是所有元11為了定量地描述電子的狀態(tài)和出現(xiàn)在某處的幾率，需要引入一個(gè)幾率波的波函數(shù)ψ(r,t)，而|ψ(r,t)|2=ψ(r,t)ψ(r,t)*就是在t時(shí)刻，在位矢為r處單位體積內(nèi)找到電子的幾率（也就是在r處的電子云(ElectronCloud）密度）。ψ滿足波動(dòng)力學(xué)基本方程，即薛定諤方程：(1-104)式中，H是哈密頓算符（能量算符）。魔奈艙站幼圖許棄衣錠廚廚悟斂炮艱鋼父妒恨門偉硒苞碌評(píng)欄獻(xiàn)種壇磋位原子結(jié)構(gòu)與鍵合原子結(jié)構(gòu)與鍵合為了定量地描述電子的狀態(tài)和出現(xiàn)在某處的幾率12

(1-105)其中，V是勢能；2是拉普拉斯算符：(1-106)

在外場不變，因而總能量E恒定（電子處于定態(tài)）的情況下，波函數(shù)ψ可以寫成：(1-107)糊掣薔锨匆傾兒娥鹽嘆顫軍憲回艇配任與議警廉貴獅坤莉拒彼辜全蔓背摔原子結(jié)構(gòu)與鍵合原子結(jié)構(gòu)與鍵合

13將(1-106)式代入(1-104)式就得到定態(tài)薛定諤方程：(1-108)式中，u是波函數(shù)ψ隨空間變化的部分。方程(1-104)式和(1-107)式就是波動(dòng)力學(xué)的基本方程。醉赤蹦拽抵遇臀尖阜夫條稅賀舵慌捶魯嶼租駐一錳憑飄祥塢辦緝拂浪父鄉(xiāng)原子結(jié)構(gòu)與鍵合原子結(jié)構(gòu)與鍵合將(1-106)式代入(1-104)式就14原則上，只要給定了勢函數(shù)V，就可以解出波函數(shù)，進(jìn)而求出能量E、角動(dòng)量L等物理量。關(guān)于在各種情況下薛定諤方程的解法可參看量子力學(xué)教程。

對(duì)于孤立原子，每個(gè)電子都是在核和其他電子的勢場中運(yùn)動(dòng)。如果將勢場看成是有心力場，求解薛定諤方程，就可得到波函數(shù)和相關(guān)的物理量（如E，L等）。所得公式中包含4個(gè)只能取定值的參數(shù)：n，li，mi和si。凜劣茄掏鞏笆賴蛆保找衫高譯顴接眼苗鎊堯嘔埠膨恤塌酵啦幾傳陵熟盂點(diǎn)原子結(jié)構(gòu)與鍵合原子結(jié)構(gòu)與鍵合原則上，只要給定了勢函數(shù)V，就可以解出波15(1)主量子數(shù)n

n是決定能量的主要參數(shù)，可以證明，電子總能量的負(fù)值和n2成反比，即Eα∝-1/n2，對(duì)氫原子，n則是惟一的參數(shù)，n=1，2，…（正整數(shù)）。(2)軌道角量子數(shù)li

li決定了軌道角動(dòng)量的大小，可取0到(n-1)的任一整數(shù)值，li=0，1，2，3分別與字母s，p，d，f表示的次殼層聯(lián)系。如，對(duì)于一個(gè)處于n=2，li=0的電子，我們就說它處于2s態(tài)；處于n=2，li=1的電子就是2p態(tài)電子，等等。有時(shí)也把狀態(tài)說成“軌道”，例如，3d軌道上的電子就是指3d態(tài)電子（即n=3，li=2狀態(tài)的電子）。當(dāng)然，這里“軌道”的含義是電子云，而不是經(jīng)典的軌道。寂轍糞并眠旅下引催婉摧幾腎錨炬渴碉迫證無殼謄鄉(xiāng)姬葬碩蛹沁冊盎伏舒原子結(jié)構(gòu)與鍵合原子結(jié)構(gòu)與鍵合(1)主量子數(shù)nn是決定能量的16(3)軌道磁量子數(shù)mi

mi決定了軌道角動(dòng)量在外磁場方向的投影值，mi=0，±1，±2，…，±li，根據(jù)mi的取值，限制了s，p，d，f次殼層的軌道數(shù)分別為1，3，5，7。

(4)自旋磁量子數(shù)si

si決定了自旋角動(dòng)量在外磁場方向的投影值，si=±1/2，只能取兩個(gè)值?；」r抱冤裸蔗劉僑糞卑騎劊竟蓖氯望倦穆和邵緘洋團(tuán)公髓淆雙療迢抽鄙原子結(jié)構(gòu)與鍵合原子結(jié)構(gòu)與鍵合(3)軌道磁量子數(shù)mimi決定了軌道17對(duì)于定態(tài)的原子來說，電子也不是位于確定半徑的平面軌道上，而是有可能位于核外空間的任何地方，只是在不同的位置出現(xiàn)電子的幾率不同。這樣，經(jīng)典的軌道概念就必須摒棄。人們往往用連續(xù)分布的“電子云”代替軌道來表示單個(gè)電子出現(xiàn)在各處的幾率。

電子云密度最大的地方就是電子出現(xiàn)幾率最大的地方。桑鑄嫁慷點(diǎn)叭殃桌爾鎊香設(shè)悍精擅礦囚鵝棗藏屯醛趾哼棵葦同樹看臺(tái)己頃原子結(jié)構(gòu)與鍵合原子結(jié)構(gòu)與鍵合對(duì)于定態(tài)的原子來說，電子也不是位于確定半18第二節(jié)元素周期律元素的外層的電子結(jié)構(gòu)隨著原子序數(shù)的遞增而呈周期性的變化規(guī)律稱為元素周期律。元素周期表是元素周期律的集中體現(xiàn)。在同一周期中，各元素的原子核外電子層數(shù)相同，但從左到右核電荷數(shù)依次增多，原子半徑逐漸減小，失電子能力逐漸減弱，得電子能力逐漸增強(qiáng)。因此，金屬性逐漸減弱，非金屬性逐漸增強(qiáng)；而在同一主族的元素中，從上到下，電子層數(shù)逐漸增多，原子半徑增大，失電子能力逐漸增強(qiáng)，得電子能力逐漸減弱，所以，元素的金屬性逐漸增強(qiáng)，非金屬性逐漸減弱。總之，元素的性質(zhì)、原子結(jié)構(gòu)和該元素在周期表中的位置三者有著密切的關(guān)系。故可根據(jù)元素在周期表中的位置，推斷它的原子結(jié)構(gòu)和一定的性質(zhì)，反之亦然。籍樣瘸寥郵方吃曉軸坦裙堤茍冷餅凰繹晤量貝綻菇樟瘍冷躥評(píng)錠澳膛箱況原子結(jié)構(gòu)與鍵合原子結(jié)構(gòu)與鍵合第二19第三節(jié)原子間的鍵合所謂結(jié)合鍵(bond)是指由原子結(jié)合成分子或固體的方式和結(jié)合力的大小。結(jié)合鍵決定了物質(zhì)的一系列物理、化學(xué)、力學(xué)等性質(zhì)。從原則上講，只要能從理論上正確地分析和計(jì)算結(jié)合鍵，就能預(yù)測物質(zhì)的各項(xiàng)性質(zhì)。因此，結(jié)合鍵的分析和計(jì)算乃是各種分子和固體電子理論的基礎(chǔ)。遺憾的是，目前還不能對(duì)各種物質(zhì)的結(jié)合鍵進(jìn)行準(zhǔn)確的理論計(jì)算。不論什么物質(zhì)，其原子結(jié)合成分子或固體的力從本質(zhì)上講都起源于原子核和電子間的靜電交互作用即庫侖力。要計(jì)算結(jié)合力，就需要知道外層電子圍繞各原子核的分布。根據(jù)電子圍繞原子的分布方式，可以將結(jié)合鍵分為五類，即離子鍵、共價(jià)鍵、金屬鍵、分子鍵和氫鍵。跺涼消戚市膠幫聶吭季輿佑抒效絨來摯洞宰呈短芝磅北秧錐困蔽陽千迪啊原子結(jié)構(gòu)與鍵合原子結(jié)構(gòu)與鍵合第三20雖然不同的鍵對(duì)應(yīng)著不同的電子分布方式，但它們都滿足一個(gè)共同的條件，即鍵合后各原子的外層電子結(jié)構(gòu)要成為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，也就是隋性氣體原子的外層電子結(jié)構(gòu)，如1s2、ns2np6和n-1d10ns2np6。由于“八電子層”結(jié)構(gòu)（即ns2np6結(jié)構(gòu)）是最普遍、最常見的穩(wěn)定電子結(jié)構(gòu)，因此可以說，不同的結(jié)合鍵代表著實(shí)現(xiàn)八電子層結(jié)構(gòu)的不同方式。下面就不同的鍵合方式來分析原子間的結(jié)合。超箋司組埋肚恬盆獸胳時(shí)蕭賄荊住嫁聾煮搶靡馴握咱淆撅老壞謹(jǐn)繳愧怔煙原子結(jié)構(gòu)與鍵合原子結(jié)構(gòu)與鍵合雖然不同的鍵對(duì)應(yīng)著不同的電子分布方式，但21一、離子鍵（IonicBond）典型的金屬元素和非金屬元素就是通過離子鍵而化合的。此時(shí)金屬原子的外層價(jià)電子轉(zhuǎn)移到非金屬原子的外層，因而形成外層都是八電子層（滿的ns+np支殼層）的金屬正離子和非金屬負(fù)離子。正負(fù)離子通過靜電引力（庫侖引力（CoulombicForces））而結(jié)合成所謂離子型化合物（或離子晶體（IonicCrystal）），因此,離子鍵又稱極性鍵。顯然離子化合物必須是電中性的，即正電荷數(shù)應(yīng)等于負(fù)電荷數(shù)。離子化合物AxBy對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的唯一限制是A和B的近鄰數(shù)必須與化合比x∶y成反比。這一限制也同時(shí)限制了離子晶體的配位數(shù)（CoodinativeNumber/CN）最高為8。菩宙輿房奪治藍(lán)總悠十瓊慷趣女醞囚澆捌圣斥獅劫厚墨伶翟燴益靛打搐淚原子結(jié)構(gòu)與鍵合原子結(jié)構(gòu)與鍵合一、離子鍵（IonicBond）菩宙輿房奪治藍(lán)總悠22如圖1-301是離子化合物NaCl離子鍵示意圖。紅色球代表Cl-離子，灰色球代表Na＋離子。離子鍵主要依靠它們之間的靜電引力結(jié)合在一起，因此離子鍵的特點(diǎn)是：鍵力較強(qiáng)、結(jié)合牢固。因此其熔點(diǎn)和硬度均較高。另外，在離子晶體中很難產(chǎn)生自由運(yùn)動(dòng)的電子，因此，它們都是良好的絕緣體。大多數(shù)鹽類、堿類和金屬氧化物主要以離子鍵的方式結(jié)合。圖1-301NaCl離子鍵示意圖廠丟肛幫鍵醚藐族氖吮餞溶梁壺盞芹宿謀飼玉徒菇噶郝土潔蕉濺亂豎績冤原子結(jié)構(gòu)與鍵合原子結(jié)構(gòu)與鍵合如圖1-301是離子化合物NaC23二、共價(jià)鍵（CovalentBond）周期表中同族元素的原子就是通過共價(jià)鍵而形成分子或晶體的，這時(shí)滿的ns+np殼層是通過兩個(gè)原子共享它們之間的電子來實(shí)現(xiàn)的。典型的例子有H2,O2,F2，SiC,金剛石等。此外，許多碳-氫化合物也是通過共價(jià)鍵結(jié)合的。

在以上這些情況下，不可能通過電子的轉(zhuǎn)移使每個(gè)原子外層成為穩(wěn)定的八電子層（或1s2）結(jié)構(gòu)，也就是說，不可能通過離子鍵而使原子結(jié)合成分子或晶體。然而，相鄰原子通過共用一對(duì)或幾對(duì)價(jià)電子卻可以使各原子的外層電子結(jié)構(gòu)都成為穩(wěn)定的八電子層（或1s2）結(jié)構(gòu)。框楊紅搏棚粒屑擴(kuò)蚌紛遇凰際癱矽泡喇粵氖鋤歡蔥暇喊粗漲鑰趕悄念初舉原子結(jié)構(gòu)與鍵合原子結(jié)構(gòu)與鍵合二、共價(jià)鍵（CovalentBond）框楊紅搏棚24例如，形成氫分子時(shí)，兩個(gè)氫原子的核外電子就是兩個(gè)氫原子共有的，即兩個(gè)外層電子是圍繞兩個(gè)氫原子核運(yùn)動(dòng)的，每個(gè)氫原子都通過共用一對(duì)電子獲得了1s2的穩(wěn)定外層結(jié)構(gòu)。同樣，兩個(gè)氧原子通過共用兩對(duì)價(jià)電子獲得八電子層的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，形成穩(wěn)定的氧子。

圖1-302甲烷分子中碳和氫原子之間的共價(jià)鍵示意圖在形成共價(jià)鍵時(shí)，為使電子云達(dá)到最大限度的重疊，共價(jià)鍵就有方向性，鍵的分布嚴(yán)格服從鍵的方向性；當(dāng)一個(gè)電子和另一個(gè)電子配對(duì)以后就不再和第三個(gè)電子配對(duì)了，成鍵的公用電子對(duì)數(shù)目是一定的，這就是共價(jià)鍵的飽和性。此外，由于共價(jià)鍵具有方向性，配位數(shù)比較小，同時(shí)共價(jià)鍵的結(jié)合比較牢固，因此其結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，熔點(diǎn)較高，硬度較大。檢冗咖侵訊駕詳塔酚膊賺通杖葦愿夷友伏素悉酌青爸天桃稍尋缺蒼望際勺原子結(jié)構(gòu)與鍵合原子結(jié)構(gòu)與鍵合例如，形成氫分子時(shí)，兩個(gè)氫原子的核外電子就25共價(jià)鍵中共有電子對(duì)不能自由運(yùn)動(dòng)，因此共價(jià)結(jié)合形成的材料一般是絕緣體，其導(dǎo)電能力差。共價(jià)鍵在亞金屬（C,Si,Sn等）、聚合物和無機(jī)非金屬材料中起重要作用。

圖1-303Cl2分子中Cl原子之間的共價(jià)鍵圖1-304金剛石中碳原子之間的共價(jià)鍵訣喂傾假危崗膿猜帖療染其寓援翼馱威華惺浮袱想筑升媚豪案枝莖菊習(xí)往原子結(jié)構(gòu)與鍵合原子結(jié)構(gòu)與鍵合共價(jià)鍵中共有電子對(duì)不能自由運(yùn)動(dòng)，因此共價(jià)結(jié)合形26三、金屬鍵（MetallicBond）金屬原子的外層價(jià)電子數(shù)比較少（通常s,p價(jià)電子數(shù)少于4），且各個(gè)原子的價(jià)電子極易掙脫原子核的束縛而成為自由電子，在整個(gè)晶體內(nèi)運(yùn)動(dòng)，即彌漫于金屬正離子組成的晶格之中而形成電子云。這種在金屬中的自由電子與金屬正離子相互作用所構(gòu)成的鍵合稱為金屬鍵。如圖1-305所示。顯然，金屬鍵沒有方向性，因而金屬原子往往趨于緊密堆垛。

圖1-305金屬鍵示意圖晦以晰乒腿紛盆析盔飾破南狽丸尺弗揀慕膽敢瑤榮才炮皇惡墓曠的撓鴿定原子結(jié)構(gòu)與鍵合原子結(jié)構(gòu)與鍵合三、金屬鍵（MetallicBond）

晦以晰乒27四、分子鍵（VanderWaals'Bond）

分子鍵是電中性的分子之間的長程作用力。所有惰性氣體原子在低溫下就是通過范氏力而結(jié)合成晶體的。N2，O2，CO，Cl2，Br2和I2等由共價(jià)鍵結(jié)合而成的雙原子分子在低溫下聚集成所謂分子晶體，此時(shí)每個(gè)結(jié)點(diǎn)上有一個(gè)分子，相鄰結(jié)點(diǎn)上的分子之間就存在著范德瓦爾斯力。正是此種范氏力使分子結(jié)合成分子晶體（分子鍵的名稱即由此而來）。為什么在電中性的原子之間會(huì)出現(xiàn)靜電引力呢？如果將核外電子的分布（或電子云的密度）看成是不隨時(shí)間改變的固定分布，那么電中性原子的正電荷中心和負(fù)電荷中心在任何時(shí)刻都應(yīng)該重合，因而不可能對(duì)其他原子或電子有靜電引力。腑橫核暇汰手哮凜誰冪寐匹淪舵凄激幸盔瘩撅蜀得軟創(chuàng)煮雪家邱嵌皋護(hù)韋原子結(jié)構(gòu)與鍵合原子結(jié)構(gòu)與鍵合四、分子鍵（VanderWaals'Bond28圖1-306分子間的范德華鍵示意圖

范德華鍵是一種次價(jià)鍵，沒有方向性和飽和性,它比化學(xué)鍵的鍵能小1-2個(gè)數(shù)量級(jí)，遠(yuǎn)不如化學(xué)鍵牢固。在高分子材料中總的范德華力超過化學(xué)鍵的作用，故在去除所有的范德華力作用前化學(xué)鍵早已斷裂了，所以高分子往往沒有氣態(tài)，只有固態(tài)和液態(tài)。

然而實(shí)際上核外電子是在不斷運(yùn)動(dòng)的（雖然我們不能指出它的運(yùn)動(dòng)軌道），因而電子云的密度隨時(shí)間而變。在每一瞬間，負(fù)電荷中心并不和正電荷中心重合，這樣就形成瞬時(shí)電偶極子（Dipole），產(chǎn)生瞬時(shí)電場，如圖1-306所示。

掩禿畔硼陷蹤覆凜檸相訓(xùn)碳找爵赦袍倡毗差侍峻殲霹逝獻(xiàn)毒龔崗鈾艦遞輔原子結(jié)構(gòu)與鍵合原子結(jié)構(gòu)與鍵合然而實(shí)際上核外電子是在不斷運(yùn)動(dòng)的（雖然我們不能29

圖1-308極性HCl分子示意圖趁弄適青祭鹼豫巍欲腸哦勁憎躥霓箋隙票勒吐姿蚌蚊田炭當(dāng)漂膨仔峰禁掇原子結(jié)構(gòu)與鍵合原子結(jié)構(gòu)與鍵合

趁弄適青祭鹼豫巍欲腸哦勁憎躥霓箋隙票勒吐姿蚌蚊田炭當(dāng)漂膨仔30五、氫鍵(HydrogenBond)

在HF，H2O，NH3等物質(zhì)中，分子都是通過極性共價(jià)鍵結(jié)合的（見前面關(guān)于共價(jià)鍵的討論），而分子之間則是通過氫鍵連接的。下面以水為例加以說明。圖1-309是水的分子結(jié)構(gòu)示意圖。氫和氧原子間形成共價(jià)鍵。由于氫-氧原子間的共用電子對(duì)靠近氧原子而遠(yuǎn)離氫原子，又由于氫原子除去一個(gè)共價(jià)電子外就剩下一個(gè)沒有任何核外電子作屏蔽的原子核（質(zhì)子），于是這個(gè)沒有屏蔽的氫原子核就會(huì)對(duì)相鄰水分子中的氧原子外層未共價(jià)電子有較強(qiáng)的靜電引力（庫侖引力），這個(gè)引力就是氫鍵，如圖1-309中的箭頭所示。圖1-309水分子間氫鍵作用示意圖擺側(cè)彌瓤瑰撥柑褂負(fù)員漠盾算夫盡挨悸贏激經(jīng)添疹澄梢晦魔猖刁氯族垮值原子結(jié)構(gòu)與鍵合原子結(jié)構(gòu)與鍵合五、氫鍵(HydrogenBond)

在31氫鍵將相鄰的水分子連接起來，起著橋梁的作用，故又稱為氫橋。

從上面的討論可知，形成氫鍵必須滿足以下兩個(gè)條件：

（1）分子中必須含氫。

（2）另一個(gè)元素必須是顯著的非金屬元素（F，O和N分別是ⅦB，ⅥB和ⅤB族的第一個(gè)元素）。這樣才能形成極性分子，同時(shí)形成一個(gè)裸露的質(zhì)子。蹋萬篇副蚤騾房糯策傾銘志福縮藏犧義揣烷直亮都攀誰娛啼蹈頑采視攬純原子結(jié)構(gòu)與鍵合原子結(jié)構(gòu)與鍵合氫鍵將相鄰的水分子連接起來，起著橋梁的作32六、各種結(jié)合鍵的特點(diǎn)比較離子鍵、共價(jià)鍵和金屬鍵都涉及到原子外層電子的重新分布，這些電子在鍵合后不再僅僅屬于原來的原子，因此，這幾種鍵都稱為化學(xué)鍵。相反，在形成分子鍵和氫鍵時(shí)，原子的外層電子分布沒有變化，或變化極小，它們?nèi)詫儆谠瓉淼脑?。因此，分子鍵和氫鍵就稱為物理鍵。一般說來，化學(xué)鍵最強(qiáng)，氫鍵和分子鍵較弱。疤淹竿媒飼畫嗅翔秸凹嬰奄琢敖瓷濰癸酣卻云黃卞仲置甚否豁籠確滅鹵飯?jiān)咏Y(jié)構(gòu)與鍵合原子結(jié)構(gòu)與鍵合六、各種結(jié)合鍵的特點(diǎn)比較疤淹竿媒飼畫嗅翔秸凹嬰奄琢敖33類型作用力來源鍵合強(qiáng)弱形成晶體的特點(diǎn)離子鍵原子得、失電子后形成負(fù)、正離子，正負(fù)離子間的庫侖引力

最強(qiáng)無方向性鍵、高配位數(shù)、高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度、低膨脹系數(shù)、塑性較差、固態(tài)不導(dǎo)電、熔態(tài)離子導(dǎo)電共價(jià)鍵相鄰原子價(jià)電子各處于相反的自旋狀態(tài)，原子核間的庫侖引力

強(qiáng)有方向性鍵、低配位數(shù)、高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度、高硬度、低膨脹系數(shù)、塑性較差、即使在熔態(tài)也不導(dǎo)電金屬鍵自由電子氣與正離子實(shí)之間的庫侖引力較強(qiáng)無方向性鍵、結(jié)構(gòu)密堆、配位數(shù)高、塑性較好、有光澤、良好的導(dǎo)熱導(dǎo)電性分子鍵原子間瞬時(shí)電偶極矩的感應(yīng)作用較弱無方向性鍵、結(jié)構(gòu)密堆、高熔點(diǎn)、絕緣氫鍵氫原子核與極性分子間的庫侖引力

弱有方向性和飽和性

砂獄棱董邵拔矮膳擂蝕滾腥考旅艇齋歌躊聽怔艇膏喧窒泉領(lǐng)凝卞就黔閨恐原子結(jié)構(gòu)與鍵合原子結(jié)構(gòu)與鍵合類型作用力來源鍵合強(qiáng)弱形成晶體的特點(diǎn)離子鍵34值得指出的是，實(shí)際晶體不一定只有一種鍵，可能是多種鍵合的混合，至少范氏力就是普遍存在的一種力。不過，在某一鍵合為主鍵的情形下，其他弱鍵就可以忽略。實(shí)際材料中存在的鍵合情況如右圖所示。以上我們簡單地討論了結(jié)合鍵的類型及其本質(zhì)，由于各種結(jié)合鍵的本質(zhì)不同，所形成的固體其性質(zhì)也大不相同。圖1-310實(shí)際材料中的結(jié)合鍵屬焊鱉松蹄擄誰仁見誣僧嵌吐露李鐵瘦傍隋瑪饋稠鳥鋇耶瀉辮找互倪臼棒原子結(jié)構(gòu)與鍵合原子結(jié)構(gòu)與鍵合值得指出的是，實(shí)際晶體不一定只有一種鍵35七、結(jié)合能原子能夠結(jié)合為固體的根本原因，是原子或分子結(jié)合起來后，體系的能量可以降低，即在